濕式蝕刻工藝提高LED光萃取效率之產(chǎn)能與良率

1、濕式蝕刻工藝提高LED光萃取效率之產(chǎn)能與良率主題:技術 1、 前言言近幾年來IIII族族氮化物物(IIII-NNitrridee)高亮亮度發(fā)光光二極體體(Hiigh Briighttnesss LLighht EEmisssioon DDiodde; HB-LEDD)深獲獲廣大重重視，目目前廣泛泛應用于于交通號號誌、LLCD背背光源及及各種照照明使用用上?；旧希珿GaN LEDD是以磊磊晶(EEpittaxiial)方式生生長在藍藍寶石基基板(SSappphirre SSubsstraate)上，由由于磊晶晶GaNN與底部部藍寶石石基板的的晶格常常數(shù)(LLattticee Coonstta

2、ntt)及熱熱膨脹係係數(shù)(CCoeffficciennt oof TTherrmo Exppanssionn; CCTE)相差極極大，所所以會產(chǎn)產(chǎn)生高密密度線差差排(TThreead Dissloccatiion)達1008110100 / cm22，此種種高密度度線差排排則會限限制了GGaN LEDD的發(fā)光光效率。此外，在HHB-LLED結結構中，除除了主動動層(AActiive Reggionn)及其其他層會會吸收光光之外，另另外必須須注意的的就是半半導體的的高折射射係數(shù)(Higgh RRefrracttivee Inndexx)，這這將使得得LEDD所產(chǎn)生生的光受受到侷限限(Trrapp

3、ped Ligght)。以圖圖1來進進行說明明，從主主動區(qū)所所發(fā)射的的光線在在到達半半導體與與周圍空空氣之界界面時，如如果光的的入射角角大于逃逃逸角錐錐(Esscappe CConee)之臨臨界角(Criiticcal Anggle;c)時，則則會產(chǎn)生生全內(nèi)反反射(TTotaal IInteernaal RRefllecttionn)；對對于高折折射係數(shù)數(shù)之半導導體而言言，其臨臨界角都都非常小小，當折折射係數(shù)數(shù)為3.3時，其其全內(nèi)反反射角則則只有117o，所所以大部部份從主主動區(qū)所所發(fā)射的的光線，將將被侷限限(Trrappped)于半導導體內(nèi)部部，這種種被侷限限的光有有可能會會被較厚厚的基板板

4、所吸收收。此外外，由于于基板之之電子與與電洞對對，會因因基板品品質(zhì)不良良或效率率較低，導導致有較較大機率率產(chǎn)生非非輻射復復回(RRecoombiine Nonn-Raadiaativvelyy)，進進而降低低LEDD效率。所所以如何何從半導導體之主主動區(qū)萃萃取光源源，以進進而增加加光萃取取效率(Ligght Exttracctioon EEffiicieencyy)，乃乃成為各各LEDD制造商商最重要要的努力力目標。目前有兩種種方法可可增加LLED光光之萃取取效率：(1)第一種種方法是是在LEED磊晶晶前，進進行藍寶寶石基板板的蝕刻刻圖形化化(Paatteern Sappphiire Subb

5、strratee; PPSS)；(22)第二二種方法法是在LLED磊磊晶后，進進行藍寶寶石基板板的側邊邊蝕刻(Sappphiire Siddewaall Etcchinng; SSEE)，以以及基板板背面粗粗糙化(Sappphiire Baccksiide Rouughiing; SBBR)。本本文將參參考相關關文獻166，探探討如何何利用高高溫磷酸酸濕式化化學蝕刻刻技術，來來達到增增加LEED光萃萃取效率率之目的的。此外外，針對對LEDD生產(chǎn)線線之高產(chǎn)產(chǎn)能與高高良率需需求時，在在工藝系系統(tǒng)設計計制作上上必須考考慮到哪哪些因數(shù)數(shù)，亦將將進行詳詳細探討討，以期期達到增增加LEED光萃萃取效率率之

6、目的的。圖1、從主主動區(qū)所所發(fā)射的的光線在在到達半半導體與與周圍空空氣之界界面時，如如果光的的入射角角大于臨臨界角(c)時，則則會產(chǎn)生生全內(nèi)反反射。2、 磊晶晶前藍寶寶石基板板之蝕刻刻圖形化化(PPPS)工工藝藍寶石基板板蝕刻圖圖形化(PPSS)可以以有效增增加光的的萃取效效率，因因為藉由由基板表表面幾何何圖形之之變化，可可以改變變LEDD的散射射機制，或或?qū)⑸⑸渖涔鈱б罫EED內(nèi)部部，進而而由逃逸逸角錐中中穿出。目目前使用用單步驟驟無光罩罩乾式蝕蝕刻技術術(Maaskllesss Drry EEtchhingg)來加加工藍寶寶石(SSappphirre)基基板，雖雖然可以以改善內(nèi)內(nèi)部量子

7、子效率(Intternnal Quaantuum EEffiicieencyy)和光光萃取率率(Liightt Exxtraactiion Effficiienccy)，然然而由于于藍寶石石基板表表面非常常堅硬，乾乾式蝕刻刻會損傷傷藍寶石石表面，使使得線差差排(TThreead Dissloccatiion)由基板板逐漸延延伸到頂頂端的GGaN磊磊晶層，因因而影響響到LEED之磊磊晶品質(zhì)質(zhì)，所以以一般都都傾向使使用濕式式化學蝕蝕刻方式式。有關關藍寶石石基板之之濕式化化學蝕刻刻圖形化化，以及及LEDD之前段段工藝流流程，說說明如下下：A. 首先先利用黃黃光微影影工藝在在藍寶石石基板上上制作出出所

8、需的的圖案。B. 利用電漿輔助化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PE-CVD)系統(tǒng)在藍寶石基板上方沉積SiO2，進行光組去除后，即可形成間隔3m的陣列圖案。C. 利用SiO2當作蝕刻遮罩層，在溫度280的高溫磷酸與硫酸混合液中蝕刻藍寶石基板，以形成圖案化結構。圖2為使用濕式化學蝕刻藍寶石基板(PSS)后之橫截面示意圖；圖3為光學顯微鏡照片。 D. 使用MO-CVD生長GaN-LED于蝕刻圖案化之藍寶石基板C(0001)面上，GaN-LED結構由下而上，包括：GaN成核層、未摻雜的GaN層、硅摻雜的N-type GaN層、MQW層

9、及P-type GaN層。E. 使用標準微影技術及乾式蝕刻來蝕刻部份的P-type GaN層，以露出N-type GaN層，進而定義發(fā)光區(qū)域及電極。F. 沉積ITO透明導電層，接著沉積Cr/Au金屬層，在200氮氣氣氛下進行合金化，以制作P電極與N電極。圖4為GaN LED之前段工藝流程圖；圖5為經(jīng)過化學濕式蝕刻圖形化藍寶石基板(PSS)，接著生長GaN磊晶層的LED結構圖。圖2、濕式式化學蝕蝕刻藍寶寶石基板板后(PPSS)之橫截截面示意意圖。圖3、濕式式化學蝕蝕刻藍寶寶石基板板后(PPSS)之光學學顯微鏡鏡照片。圖4、GaaN LLED前前段工藝藝流程圖圖3, 4, 5。圖5、濕式式蝕刻圖圖

10、形化藍藍寶石基基板后，接接著生長長GaNN磊晶層層的LEED結構構2。如圖6所示示，經(jīng)濕濕式化學學蝕刻圖圖形化之之藍寶石石基板，基基于表面面晶格特特性，所所以會被被蝕刻出出呈577o傾斜斜的11-1002RR面(RR Pllanee)，此此種傾斜斜R面可可以大大大地增加加光的萃萃取效率率。Leee等人人利用濕濕式蝕刻刻圖形化化藍寶石石基板制制作GaaN LLED并并評估其其效能，圖圖7為傳傳統(tǒng)LEED和PPPS LEDD的電流流-輸出出光功率率曲線之之關係圖圖，在220mAA操作電電壓下，傳傳統(tǒng)LEED和PPPS LEDD的輸出出功率分分別為77.8和和9 mmW，PPPS LEDD的輸出出功

11、率為為傳統(tǒng)LLED的的1.11511.3倍倍。此外外，在220mAA操作電電壓下，傳傳統(tǒng)LEED和PPPS LEDD的外部部量子效效率(EExteernaal QQuanntumm Effficcienncy)分別為為14.2%和和16.4%，PPPS LEDD的外部部量子效效率也較較傳統(tǒng)LLED高高1.115倍。因因此PPPS技術術不只利利用藍寶寶石基板板的特殊殊幾何結結構，將將光導引引至逃逸逸角錐(Esccapee Coone)進而發(fā)發(fā)射出去去，以增增加LEED的外外部量子子效率外外，濕式式蝕刻PPPS結結構也可可降低SSappphirre基板板之差排排缺陷密密度，以以進而提提高GaaN的

12、磊磊晶品質(zhì)質(zhì)3, 4, 5。圖6、經(jīng)濕濕式蝕刻刻圖形化化藍寶石石基板，其其表面因因晶格特特性，會會被蝕刻刻出成557o傾傾斜的的的1-1022面(R PPlanne)，可可以大大大增加光光的萃取取效率3。圖7、傳統(tǒng)統(tǒng)的LEED和PPPS LEDD的電流流-輸出出光功率率曲線之之關係圖圖3, 4。3、 磊晶晶后藍寶寶石基板板之蝕刻刻工藝元件形狀化化之覆晶晶LEDD是使用用高溫磷磷酸來蝕蝕刻藍寶寶石基板板的側邊邊(Saapphhiree Siidewwalll Ettchiing; SSSE)，并并使基板板背面粗粗糙化(Sappphiire Baccksiide Rouughiing; SBBR)

13、，以以此雙重重方式來來達到增增加光萃萃取效果果，其詳詳細工藝藝流程如如圖8所所示。首首先在藍藍寶石基基板上磊磊晶制作作GaNN之LEED結構構，再將將藍寶石石基板磨磨薄至2200 m厚厚度，以以利于后后續(xù)芯片片切割之之進行，接接著分別別在元件件上下面面鍍上二二氧化硅硅(SiiO2)當作蝕蝕刻保護護層，使使用黃光光微影工工藝來定定義藍寶寶石基板板被蝕刻刻的開口口位置。接接著將已已設計圖圖案化之之藍寶石石基板浸浸入高溫溫3000的磷酸酸與硫酸酸的混合合液中，進進行藍寶寶石基板板之側邊邊蝕刻，接接者去除除二氧化化硅保護護層。后后續(xù)進行行透明導導電膜(ITOO)與金金屬電極極(Ellecttrodde

14、)制制作，并并用覆晶晶(Fllip Chiip)設設備將芯芯片黏著著于硅基基板上，制制作完成成之元件件剖面，如如圖9所所示44, 66。藍寶石的蝕蝕刻速率率與磷酸酸和硫酸酸的比例例，以及及蝕刻液液溫度有有關，由由于蝕刻刻結果取取決于其其晶格結結構，蝕蝕刻會沿沿者藍寶寶石的晶晶格面進進行，至至于藍寶寶石基板板的背面面，因為為其原本本是一個個粗糙面面，所以以無法在在其表面面鍍上一一層均勻勻的二氧氧化硅保保護層，在在進行蝕蝕刻時，覆覆蓋二氧氧化硅較較薄區(qū)域域的藍寶寶石基板板則會先先被蝕刻刻，進而而形成粗粗糙化的的表面。在在發(fā)光性性能表現(xiàn)現(xiàn)上，有有制作元元件形狀狀化之覆覆晶LEED比傳傳統(tǒng)覆晶晶發(fā)光二

15、二極體的的流明度度增加了了62%；在功功率的表表現(xiàn)上，于于20mmA的注注入電流流下，有有形狀化化的LEED輸出出光功率率為144.2 mW，比比傳統(tǒng)覆覆晶結構構LEDD的9.3 mmW，增增加了552%，如如圖100所示4, 6。圖8、元件件形狀化化之覆晶晶LEDD工藝流流程圖6。圖9、具形形狀化之之覆晶LLED結結構示意意圖66。(a) 電電流發(fā)光光強度圖圖(b) 電電流輸出出功率圖圖圖10、有有無形狀狀化之覆覆晶LEED的(a)電電流發(fā)光光強度與與(b)電流輸輸出功率率比較圖圖6。此外，針對對芯片后后段工藝藝，在雷雷射切割割芯片后后之殘留留物問題題，也可可應用高高溫磷酸酸蝕刻技技術來解解

16、決此問問題，因因為使用用雷射切切割LEED芯片片后，會會將基材材燒出一一道痕跡跡，因此此在芯片片邊緣會會流下焦焦黑的切切割痕跡跡，這種種切割殘殘留物會會影響LLED亮亮度達55100%，如如圖111所示為為雷射切切割LEED芯片片后之SSEM照照片。對對于現(xiàn)今今HB-LEDD對于亮亮度錙銖銖必較之之情形，亦亦有業(yè)界界于雷射射切割后后，接著著使用高高溫磷酸酸來進行行藍寶石石基板的的側邊蝕蝕刻(SSappphirre SSideewalll EEtchhingg; SSSE)，以去去除雷射射切割后后的焦黑黑殘留物物，進而而增進HHB-LLED的的發(fā)光效效率。圖11、雷雷射切割割LEDD芯片后后之S

17、EEM照片片。4、 高溫溫磷酸濕濕式蝕刻刻工藝設設備在制制作上，必必須考慮慮的設計計項目圖12為弘弘塑科技技(Grrandd Pllasttic Tecchnoologgy CCorpporaatioon; GPTTC)所所制作之之全自動動化高溫溫磷酸濕濕式蝕刻刻工藝設設備，由由于磷酸酸濕式蝕蝕刻工藝藝設備是是在28803300高溫下下進行，所所以必須須考慮加加熱方式式，昇降降溫度之之速率控控制，因因應石英英槽體之之熱應力力分析所所設計的的槽體機機械結構構，化學學蝕刻液液補充系系統(tǒng)的補補充精確確度及設設備自動動化必須須能夠兼兼顧人員員安全與與環(huán)保設設計等。系系統(tǒng)在制制作上有有七大設設計關鍵鍵，

18、分別別詳述如如下：I. 安全全性設計計：符合合SEMMI-SS2, 2000認證，人人員與上上下貨區(qū)區(qū)域作分分離，可可確保操操作人員員之工作作安全，以以及將反反應廢氣氣充分抽抽離，維維持空氣氣之高潔潔凈度。II. 高產(chǎn)能設計：一次可上貨達200片外延片，產(chǎn)能為一般設備的2.75倍。III. 多槽體設計：具備多組磷酸槽，當1組磷酸槽作工藝蝕刻時，另外1組磷酸槽可同步進行化學品更換與加熱，如此可防止因等待化學品更換或加熱所造成的時間浪費。IV. 加熱與溫度控制：在石英槽體外圍鍍上一層薄膜加熱層，此種加熱方式可以使得溫度均勻分佈于整個槽體，防止因溫度梯度所造成芯片的局部熱應力，以及蝕刻速率之變異，目

19、前高溫磷酸濕式化學蝕刻藍寶石基板的厚度可精確控制在1.90.1m，蝕刻速率為每秒27.5 0.5 A。V. 昇降溫度之速率控制：具備外延片蝕刻前之預先加熱，以及蝕刻候之冷卻設計，可避免外延片因急速昇降溫度所產(chǎn)生的熱沖擊破片。VI. 化學品供應系統(tǒng)：化學液之補充體積的精確度要高。VII. 外延片自動傳送系統(tǒng)：外延片傳送可保證連續(xù)順利傳送達400 Runs，以確保制造上之良率。圖12、弘弘塑科技技設計制制作之高高溫磷酸酸濕式蝕蝕刻自動動化量產(chǎn)產(chǎn)設備。5、 結論本本文已針針對藍寶寶石基板板之高溫溫磷酸濕濕式蝕刻刻工藝，以以及其工工藝設備備在設計計制作上上必須考考慮哪些些因素，進進行詳細細探討。由由于

20、LEED之藍藍寶石基基板化學學濕式蝕蝕刻工藝藝，可藉藉由基板板表面幾幾何圖形形之變化化，來改改變LEED的散散射機制制，或?qū)⑸⑸涔夤鈱б林罫EDD內(nèi)部，進進而由逃逃逸角錐錐中穿出出，所以以成為增增加LEED光萃萃取效率率的有效效技術。目目前LEED業(yè)界界特別考考慮到如如何降低低成本與與增進產(chǎn)產(chǎn)能，并并且又要要合乎環(huán)環(huán)保與工工業(yè)安全全等需求求，可以以預見地地具備操操作自動動化與工工藝標準準化之系系統(tǒng)設備備，將成成為未來來LEDD生產(chǎn)線線量產(chǎn)之之競爭主主力。6、 作作者：許明哲 (Davvid Hsuu)： 弘塑科科技公司司(Grrandd Pllasttic Tecchnoologgy CC

21、orpporaatioon; GPTTC )計劃主主持人，畢畢業(yè)于成成功大學學材料所所。E-maiil: davvid_hsuum.tww。連絡絡地址：新竹縣縣新竹工工業(yè)區(qū)大大同路113號 TEEL:+8866-3-5977-23353 Commpanny WWebssitee: HYPERLINK .tw o .tw hhttpp:/m.tww詹印豐豐(Jeessee Chhan)： 弘弘塑科技技公司總總經(jīng)理，從從臺灣工工業(yè)技術術學院電電子系獲獲得學士士學位，并并在美國國密蘇里里州立大大學哥倫倫比亞校校區(qū)獲得得MSEEE。顏顏錫鴻(Clyyde Yenn )：弘塑科科技公司司副總經(jīng)經(jīng)理，半半

22、導體設設備與材材料之市市場行銷銷規(guī)劃多多年經(jīng)驗驗。顏榮榮偉(SStevven Yenn)：弘弘塑科技技公司產(chǎn)產(chǎn)品經(jīng)理理。余智智林(FFrannk YYu)：弘塑科科技公司司專案經(jīng)經(jīng)理。7、 參參考文獻獻：1. E. F. Scchubbertt, LLighht-EEmitttinng DDioddes, Caambrridgge, U. K. : CCambbriddge Uniiverrsitty PPresss, 20003.22. AA. ZZukaauskkas, M. S. Shhur, annd RR. GGaskka, Inttrodducttionn too Soolidd-Sttatee Liightt. HHobookenn, NJJ: WWileey-IInteerscciennce, 20002.